KR100451484B1 - 선박 운동 시뮬레이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선박 운동 시뮬레이터에 관한 것으로 해양에서 항해중인 선박에 이용되는 지향성 위성안테나의 안정화를 이루는 제어방식을 시험하기 위한 시뮬레이터에 관한 것이다.

본 발명의 선박 운동 시뮬레이터는 상단에 안테나 장착봉이 장착되고 하부에 기어가 장착된 턴 구현 선반, 상기 턴 구현 선반을 지지하며 하부에 2개의 실린더 축과 중심축 및 DC모터가 장착된 중심 선반으로 구성되어 턴(turning) 동작을 수행하는 안테나 장착부; 모터 속도제어 다이얼과 방향 스위치와 롤 스위치와 피치 스위치 및 롤/피치 스위치로 구성된 조작부, 전원 램프와 펌프 램프 및 턴 램프로 구성된 디스플레이부를 포함하는 콘트롤러부; 및 유류탱크와 유압펌프와 유압밸브와 솔레노이드 유압 콘트롤러 및 실린더로 구성되어 롤링(rolling) 및 피칭(pitching) 동작을 수행하는 유압구동부를 포함하여 상기 턴(turning) 동작은 상기 롤링(rolling) 및 피칭(pitching) 동작과 독립적으로 수행되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 선박 운동 시뮬레이터는 2개의 유압 실린더로써 롤링과 피칭 운동을 하고 DC모터와 기어를 이용하여 턴 동작을 하는 유압식과 기계식을 적절히 조화시킴으로써, 롤링, 피칭, 턴 동작을 정확하고 안정적으로 제어할 수 있다. 특히, 턴 동작에 의한 원심력이 롤링 및 피칭 운동에 거의 미치지 않기 때문에 유류의 양과 유압을 정확히 제어할 수 있어, 보다 안정적이고 정확한 위치제어을 할 수 있는효과가 있다. 또한, 전자 자동제어 장치와 연결시킬 수 있어 각종 위락시설 및 자동화시스템에 응용되어 사용되어 진다.

Description

선박 운동 시뮬레이터{Ship movement simulator}

본 발명은 선박 운동 시뮬레이터에 관한 것으로, 보다 자세하게는 해양에서 항해중인 선박에 이용되는 지향성 위성안테나의 안정화를 이루는 제어방식을 시험하기 위한 시뮬레이터에 관한 것이다.

일반적으로, 시뮬레이터는 복잡한 작동 상황 따위를 컴퓨터를 사용하여 실제 장면과 같도록 재현하는 장치를 일컬으며, 주로, 시험 연구나 항공기 조종, 원자로 운전 따위의 훈련에 사용된다.

모든 시뮬레이터의 공통점은 3차원적으로 실제 장면과 같도록 재현시킨다는 점이다. 그러나 시뮬레이터를 동작시키는 구성요소는 어떤 용도로 사용하느냐에 따라 많은 차이를 보이며, 또한 새롭게 요구되는 다양한 용도에 맞도록 시뮬레이터의발전이 병행되어야 한다.

일반적으로, 시뮬레이터의 동작은 롤링(rolling), 피칭(pitching), 헤빙(heaving), 요우(yaw) 및 턴(turning) 등으로 이루어진다. 롤링(rolling)이란 평면좌표축의 X축 상에서 좌우로 운동하는 것을 의미하며, 피칭(pitching)이란 평면좌표축의 Y축 상에서 좌우로 운동하는 것을 의미한다. 또한 헤빙(heaving)은 상하운동이며, 요우(yaw)는 좌우로 흔들리는 것을 의미하고, 턴(turning)은 회전운동을 의미한다.

종래의 선박에 이용되는 지향성 위성안테나 시뮬레이터들을 살펴 보면, 턴(turning) 운동이 구현되지 못한 점과 정확하고 안정적인 제어가 부족한 점을 들 수 있다. 위성안테나를 장착하여 선박 운동 시뮬레이터로 사용되는 종래의 시뮬레이터들은 주로 DC모터 3개를 사용하여 롤링(rolling) 및 피칭(pitching) 운동을 구현했다. 이러한 시뮬레이터들의 동작범위는 약 롤링 18도/4초, 피칭 13도/5초 로써 동작범위가 제한된다는 단점을 수반하며, 특히 턴(turning) 동작을 구현시키지 못한다.

본 발명과 유사한 동작을 하고 본 발명에 앞선 종래기술들을 몇 가지 예로 들며, 그러한 종래기술의 시뮬레이터들이 선박 운동 시뮬레이터에 사용되어질때 발생할 수 있는 문제점을 살펴 본다.

먼저, 항공기 조종 시뮬레이터에서 사용되는 특징을 살펴본다. 대한민국 등록실용신안 제154640호와 미국특허 제5,685,718호 등에 기재된 시뮬레이터는 피치(pitch), 롤(roll) 및 요우(yaw) 동작을 실행시키는 것을 볼 수 있다. 여기서는 부분적인 턴(turning) 동작이 이루어지긴 하지만, 시뮬레이터 전체 구조물의 턴(turning)동작은 제한된 점을 지적할 수 있다. 즉, 스크린에 비춰지는 화면에 피치(pitch), 롤(roll) 및 요우(yaw) 동작이 적절히 조화를 이루면서 조종실의 턴(turning) 동작이 일어나는 듯한 가상 현실을 나타낸다는 것이다. 또한 항공기 조종 시뮬레이터에서는 실질적인 턴(turning) 동작을 구현할 필요성이 없으며, 턴(turning) 동작의 구현은 오히려 불필요한 공간과 복잡한 장치가 요구될 수 있다.

다음으로, 놀이 기구에 사용되는 본 발명과 유사한 장치에 대한 특징을 살펴본다. 대한민국 출원번호 특2001-0039341호 및 실1993-0020464호 등에 기재된 놀이 기구들은 롤링(rolling), 피칭(pitching), 헤빙(heaving) 및 턴(turning) 동작을 실행시키는 것을 볼 수 있다. 여기서는 전체 구조물의 턴(turning) 동작이 이루어지긴 하지만, 그러한 전체적인 턴(turning) 동작을 일으키기 위한 장치는 기구의 가장 하부에 위치하며, 그로인한 문제점은 여러가지 동작이 동시에 일어날 때 하부의 턴(turning) 동작에 의한 원심력으로 상부의 다른 동작에 영향을 미치게 되고, 특히 상부의 다른 동작을 일으키는 기구들이 유압에 의해 동작될 때에는 유류의 변질 및 양의 크기에 민감한 반응을 보인다. 또한 턴(turning) 동작을 체인과 같은 장력에 의해 길이변화를 일으킬 수 있는 장치를 이용하게 되어 정기적인 정비를 요한다. 이러한 놀이 기구들은 정기적으로 정비할 수 있다면 기존의 장치들로 목적을 달성할 수 있다. 그러나, 안정적이며 장기적으로 정확한 위치 제어를 하면서 여러 동작을 동시에 수행하고자 할 때에는 각 동작을 수행하는 장치들은 상호 미치는 영향을 최소화해야 한다는 점에서 상기 장치들은 미흡한 점이 있다.

마지막으로, 다용도로 사용될 수 있는 본 발명과 유사한 장치에 대한 특징을 살펴본다. 대한민국 등록특허 제280144호, 제316511호 및 등록실용신안 제175330호 등에 기재된 장치들은 롤(roll), 피칭(pitching) 및 헤빙(heaving) 동작을 실행시키는 것을 볼 수 있다. 상기 장치들은 유압실린더를 3개 또는 4개를 사용하여 무겁고 복잡한 형태를 갖고 상기 3~4개의 유압실린더의 다소 복잡한 상호동작에 의해 위치 제어를 하게 된다. 또한, 위치 제어를 위한 유압 실린더 피스톤의 신장과 수축의 길이가 본 발명의 장치에 비해 상대적으로 늘어날 수 밖에 없는 구조를 갖는다. 특히, 롤(roll)과 피칭(pitching)에 의한 위치는 일정하게 유지하면서 턴(turning) 동작에 의해 위치 제어를 달성하기 위해선, 예를 들면 위도를 고정시킨채 경도만을 변화시킬 때, 2~3개의 유압 실린더가 동시에 복잡한 움직임을 할 수 밖에 없다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 단점과 문제점을 해결하기 위한 것으로, 선박에 이용되는 지향성 위성안테나의 안정화를 위해 유압 및 기계식을 알맞게 이용하여 정확하고 안정적인 위치 제어를 통한 모의 실험을 할 수 있도록 하는 선박 운동 시뮬레이터를 제공함에 본 발명의 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 선박 운동 시뮬레이터의 전체 구성장치의 주요부분을 간략하게 나타낸 사시도이다.

도 2는 본 발명에 따른 선박 운동 시뮬레이터의 안테나 장착부이다.

도 3은 콘트롤러부의 구성을 나타내는 블록도이다.

도 4는 콘트롤러부에 의한 제어 순서도이다.

도 5 및 도 6은 각각 부분적으로 유압구동부를 나타내어 전체 유압구동부를 간략하게 표현한 것이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 안테나 장착부 11 : 안테나 장착봉

12 : 턴 구현 선반 13 : 중심 선반

14 : DC 모터 15 : 피니언

16 : 중심축 17 : 기어

18 : 실린더 축 20 : 콘트롤러부

21 : 작동부 22 : 디스플레이부

23 : 전원 램프 24 : 펌프 램프

25 : 턴 램프 26 : 모터 속도제어 다이얼

27 : 방향 스위치 28 : 롤 스위치

29 : 피치 스위치 30 : 롤/피치 스위치

41 : 유류 탱크 42 : 유압 펌프

43 : 유압 밸브 44 : 솔레노이드 유압 콘트롤러

45 : 유압 실린더 46 : 리미트 센서

본 발명의 상기 목적은 안테나 장착부, 콘트롤러(controller)부 및 유압구동부로 이루어진 선박 운동 시뮬레이터에 의해 달성된다.

본 발명의 상기 목적과 기술적 구성 및 그에 따른 작용효과에 관한 자세한 사항은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하고 있는 도면을 참조한 이하 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 선박 운동 시뮬레이터의 전체 구성장치의 주요부분을 간략하게 나타낸 사시도이다. 상부에는 선박에 이용되는 지향성 위성안테나를 장착하며 턴(turning) 동작을 구현하는 안테나 장착부(10)가 위치하고, 하부에는 롤링(rolling)과 피칭(pitching) 동작을 제어하며 턴(turning)의 방향과 속도를 조절할 수 있는 콘트롤러(controller)부(20) 및 롤링(rolling)과 피칭(pitching) 동작을 구현하는 유압 구동부(40)가 위치한다.

안테나 장착부(10)에는 안테나 장착봉(11), 턴 구현 선반(12), 중심 선반(13), 중심축(16) 및 DC모터(14)를 포함한다. 콘트롤러부(20) 내부에는 전원 램프(23), 펌프 램프(24), 턴 램프(25), 모터 속도제어 다이얼(26), 방향 스위치(27), 롤 스위치(28), 피치 스위치(29), 롤/피치 스위치(30), 유압구동 릴레이 및 모터구동 릴레이를 포함한다. 유압 구동부(40)에는 유류 탱크(41), 유압 실린더(45), 리미트 센서(46), 솔레노이드 유압 콘트롤러(44), 유압펌프(42) 및 유압밸브(43)를 포함한다.

도 2는 본 발명에 따른 선박 운동 시뮬레이터의 안테나 장착부(10)이다. 안테나 장착부(10)에는 턴(turning) 동작을 구현하기 위한 턴 구현 선반(12) 및 DC모터(14)가 구비되어 있으며, 시뮬레이터 전체를 지지하는 중심축(16)이 있다.

턴 구현 선반(12)의 하부에는 기어(17)가 장착되고 동력원인 DC모터(14)와 기어(17)가 맞물려 턴 구현 선반(12)의 턴(turning) 동작을 수행한다. 턴 구현 선반(12) 하부의 기어(17) 잇수는 136개가 사용되고, DC모터의 사양은 40W, 0.45A, 220V, 60Hz, 90~1700rpm, 감속비 75 및 피니언(pinion)(15) 잇수는 18개가 사용되어 120도/10초의 턴(turning) 동작을 구현할 수 있다.

턴 구현 선반(12)의 상부에는 안테나 장착봉(11)이 구비된다. 안테나 장착봉(11)은 안테나의 배선문제를 해결하기 위하여, 시뮬레이터의 턴 구현 선반(12) 상부에 둥근 봉을 설치하여 배선이 지나갈 수 있는 공간을 확보하였다.

턴 구현 선반(12)은 중심 선반(13)에 의해 지지되며 턴 구현 선반(12)이 기어(17)에 의해 회전할 때 중심 선반(13)과의 회전을 부드럽게 하기 위한 볼(ball) 등의 수단을 갖는다. 중심 선반(13)은 안테나 장착부(10) 전체를 지지해줄 수 있는 중심축(16)에 의해 지지된다. 중심축(16)은 각 동작을 부드럽게 구현하기 위해 축끝에 볼(ball)을 구비한다. 중심 선반(13)의 하부에는 2개의 유압 실린더 축(18)이 고정된다.

상기 설명한 안테나 장착부(10)의 정교한 구조로써 콘트롤러부(20)의 제어에 의한 턴(turning) 동작을 안정적이며 정확하게 구현할 수 있다. 턴(turning) 동작을 보면, 중심선반(13)은 고정되고 턴 구현 선반(12)만이 회전함으로써, 시뮬레이터 하부의 유압 실린더에 어떠한 물리적인 영향이라도 거의 미치지 않게 된다.

또한, 턴(turning) 동작을 달성하는 수단에 있어서, 2개의 유압 실린더축(18)의 상하 왕복운동으로 인한 미세한 진동, 충격에도 그 영향을 덜 받으며 정확한 위치 제어를 위해서 유압식을 배제하고 기계식으로써 기어(17)와 DC모터(14)를 사용한다.

따라서, 기어(17)와 DC모터(14)에 의해 정교하게 턴(turning) 동작을 하며, 턴 동작에 의한 물리적인 영향을 거의 받지 않는 상태에서 유압에 의해 정교한 롤링(rolling) 및 피칭(pitching) 동작을 한다.

도 3은 콘트롤러부(20)의 구성을 나타내는 블록도이다. 콘트롤러부(20)는 롤링 동작과 피칭 동작을 각각 따로 동작시킬 수 있으며 또한 복합적으로도 동작시킬 수 있다. 또한 턴의 방향과 속도를 조절할 수 있도록 하였다. 콘트롤러부(20)는 크게 조작부(21)와 디스플레이부(22)로 나눠진다.

조작부(21)에는 모터 속도제어 다이얼(26)과 네 개의 스위치가 있다. 모터 속도제어 다이얼(26)은 DC모터의 속도를 필요에 따라 제어함으로써 신속도과 정확도를 높인다. 네 개의 스위치는 DC모터의 방향을 바꿔주는 역할을 하는 방향 스위치(27), 롤링 동작을 하게 하는 롤 스위치(28), 피칭 동작을 하게 하는 피치 스위치(29), 롤링과 피칭 동작을 동시에 하게 하는 롤/피치 스위치(30)이다.

디스플레이부(22)에는 세 개의 램프가 있다. 세 개의 램프는 전원에 연결된 상태를 표시하는 전원 램프(23), 롤링 동작 또는 피칭 동작을 하는 유압의 작동 상태를 표시하는 펌프 램프(24), 턴 동작을 일으키는 모터의 작동 상태를 표시하는 턴 램프(25)이다.

조작부(21)의 각 동작 명령에 의해 유압 구동 릴레이 및 모터 구동 릴레이가작동하여 각각 유압 및 모터를 구동시킨다. 즉, 모터 속도제어 다이얼(26)과 방향 스위치(27)는 모터 구동 릴레이를 작동시켜 DC모터(14)를 구동시키며, 롤 스위치(28)와 피치 스위치(29) 및 롤/피치 스위치(30)는 유압 구동 릴레이를 작동시켜 유압을 구동시킨다.

도 4는 컨트롤러부(20)에 의한 컨트롤 순서도로써, 상기 설명된 조작부(21)에 의해 각 동작이 구현되는 원리를 쉽게 이해할 수 있다. 모터 속도제어 다이얼(26)에 의한 턴 속도제어와 방향 스위치(27)를 통해 DC모터를 컨트롤함으로써, 안테나가 장착되는 턴 구현 선반(12)의 시계방향 및 반시계방향 턴 동작이 구현되는 것을 볼 수 있다. 또한, 롤/피치 스위치(30)에 의한 롤/피치 복합운동, 롤 스위치(28)에 의한 롤링 운동 및 피치 스위치(29)에 의한 피칭 운동이 구현되는 것을 볼 수 있다.

도 5 및 도 6은 각각 부분적으로 유압구동부(40)를 나타내어 전체 유압구동부(40)를 간략하게 표현한 것이다. 유압구동부(40)는 크게 유류탱크(41), 실린더(45), 솔레노이드 유압 콘트롤러(44) 및 유압펌프(42)로 구성되어 있다. 유압구동부(40)의 전체 유류 흐름은 유류탱크(41), 유압펌프(42), 유압밸브(43), 솔레노이드 유압 콘트롤러(44), 실린더(45)의 순이며, 각 도면에는 각 구성장치 사이에 유압을 연결시켜주는 유압호스 등의 장치를 생략하여 간략화 했다.

먼저, 도 5에 도시되어 있는 구성을 살펴본다. 유류탱크(41)는 중심축(16)을 지지하고 유류를 저장하게 된다. 실린더(45)는 2개가 있으며 중심 선반(13)에 연결된 실린더 축(18)의 왕복운동을 구현해 줌으로써 롤링(rolling) 및 피칭(pitching)운동을 구현시킨다. 실린더 축(18)의 왕복거리를 결정해 주는 제어장치로써 리미트(limit) 센서(46)가 사용된다. 리미트 센서(46)의 위치를 실린더(45)의 측면에서 필요에 따라 상하방향으로 자유롭게 변경할 수 있기 때문에 실린더 축의 왕복거리를 각종 모의 실험에 알맞게 결정할 수 있다.

유류의 양을 조절하여 운동의 속도를 변화시켜주는 장치로써 솔레노이드 유압 콘트롤러(44)가 사용된다. 콘트롤러 양끝에 나온 볼트를 조절함으로써 유류의 양을 조절하게 되어 각종 상황에 맞는 유류의 양을 결정한다. 2개의 솔레노이드 유압 콘트롤러(44)가 선박 운동 시뮬레이터에 부착되어 있으며 도 5 및 도 6에 각각 도시되어 있다.

도 6에 도시되어 있는 유압구동부(40)의 부분적인 구성장치로는 유압펌프(42), 유압밸브(43) 및 솔레노이드 유압 콘트롤러(44)가 있다. 유압펌프(42)는 유압 생성의 동력원이 되는 장치로써, 내부에 사용되는 전동기의 제원은 0.2KW, 3.1A, 220V, 60Hz, 1700rpm 이다. 유압밸브(43)는 밸브를 조절해 유압을 변화시켜주는 역할을 한다. 유압구동부(40)에 의한 롤링 동작은 25도/8초 이며 피칭 동작은 15도/5초이다.

본 발명의 선박 운동 시뮬레이터는 주로 위성안테나의 시험에 사용되며, 전자 자동제어 장치와 연결시킬 수 있어 각종 위락시설 및 자동화시스템에 응용되어 사용되어 진다.

따라서, 본 발명의 선박 운동 시뮬레이터는 2개의 유압 실린더로써 롤링과 피칭 운동을 하고 DC모터와 기어를 이용하여 턴 동작을 하는 유압식과 기계식을 적절히 조화시킴으로써, 롤링, 피칭, 턴 동작을 정확하고 안정적으로 제어할 수 있다. 특히, 턴 동작에 의한 원심력이 롤링 및 피칭 운동에 거의 미치지 않기 때문에 유류의 양과 유압을 정확히 제어할 수 있어, 보다 안정적이고 정확한 위치제어를 할 수 있는 효과가 있다. 또한, 전자 자동제어 장치와 연결시킬 수 있어 각종 위락시설 및 자동화시스템에 응용되어 사용되어 진다.

Claims (12)

1. 지향성 위성안테나를 장착하는 선박 운동 시뮬레이터로서,

   상단에 안테나 장착봉(11)이 장착되고 하부에 기어(17)가 장착된 턴 구현 선반(12), 상기 턴 구현 선반(12)을 지지하며 하부에 2개의 실린더 축(18)과 중심축(16) 및 DC모터(14)가 장착된 중심 선반(13)으로 구성되어 턴(turning) 동작을 수행하는 안테나 장착부(10);

   모터 속도제어 다이얼(26), 방향 스위치(27), 롤 스위치(28), 피치 스위치(29) 및 롤/피치 스위치(30)로 구성된 조작부(21)와 전원 램프(23), 펌프 램프(24) 및 턴 램프(25)로 구성된 디스플레이부(22)를 포함하는 콘트롤러부(20); 및

   유류탱크(41), 유압펌프(42), 유압밸브(43), 솔레노이드 유압 콘트롤러(44) 및 실린더(45)로 구성되어 롤링(rolling) 및 피칭(pitching) 동작을 수행하는 유압구동부(40)

   를 포함하여 이루어지며 상기 턴(turning) 동작은 상기 롤링(rolling) 및 피칭(pitching) 동작과 독립적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 선박 운동 시뮬레이터.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 안테나 장착봉(11)은 배선이 지나갈 수 있는 공간을 확보하기 위하여상기 턴 구현 선반(12) 상부에 둥근 봉이 설치된 것을 특징으로 하는 선박 운동 시뮬레이터.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 중심축(16)은 롤링 동작, 피칭 동작이 수행될 때 상기 중심 선반(13)과의 부드러운 회전을 위해 축 끝에 볼(ball)이 구비된 것을 특징으로 하는 선박 운동 시뮬레이터.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 조작부(21)는 안테나 장착부(10)가 턴 동작을 하도록, DC모터(14)의 속도를 조절하는 모터 속도제어 다이얼(26)과 DC모터(14)의 방향을 바꿔주는 역할을 하는 방향 스위치(27)를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박 운동 시뮬레이터.
5. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,

   상기 조작부(21)는 유압 구동부(40)가 롤링 및 피칭 동작을 하도록, 롤링 동작을 하게 하는 롤 스위치(28)와 피칭 동작을 하게 하는 피치 스위치(29) 및 롤링과 피칭 동작을 동시에 하게 하는 롤/피치 스위치(30)를 포함하는 것을 특징으로하는 선박 운동 시뮬레이터.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 실린더(45)에는 실린더 축(18)의 왕복거리를 결정해 주는 제어장치인 리미트 센서(46)가 구비되는 것을 특징으로 하는 선박 운동 시뮬레이터.
7. 제 5 항에 있어서,

   상기 리미트 센서(46)의 위치는 실린더(45)의 측면에서 상하방향으로 자유롭게 변경가능함을 특징으로 하는 선박 운동 시뮬레이터.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 유압구동부(40)에 의한 롤링 동작은 25도/8초 인 것을 특징으로 하는 선박 운동 시뮬레이터.
9. 제 1 항에 있어서,

   상기 유압구동부(40)에 의한 피칭 동작은 15도/5초 인 것을 특징으로 하는선박 운동 시뮬레이터.
10. 제 1 항에 있어서,

    상기 안테나 장착부(10)에 의한 턴 동작은 120도/10초 인 것을 특징으로 하는 선박 운동 시뮬레이터.
11. 제 1 항에 있어서,

    상기 턴 구현 선반(12)의 하부에 장착되는 기어(17)의 잇수는 136개 인 것을 특징으로 하는 선박 운동 시뮬레이터.
12. 제 1 항에 있어서,

    상기 DC모터(14)의 피니언(15) 잇수는 18개 인 것을 특징으로 하는 선박 운동 시뮬레이터.